L’évolution qu’a connue la production architecturale au cours du 20 siècle a donné naissance à une nouvelle génération de contraintes liées à : la gestion des problèmes techniques, la production des saisies des documents techniques et au respect des normes de sécurité. L’évolution de l’expression architecturale elle-même a donné lieu également à de nouvelles contraintes résultant de la genèse de formes architecturales de plus en plus complexes. Les architectes et globalement les concepteurs ont cherché des méthodes et des outils qui leur permettent d’intégrer ces contraintes le plus facilement et le plus rapidement possible, un besoin qui a dynamisé l’évolution et le développent des systèmes informatisés qui caractérisent cette époque. Il existe différents modèles numériques dont les fonctions et les objectifs ont évolué suivant les besoins des concepteurs et le développement des technologies modernes. Cette partie a pour objectif de classifier et de caractériser ces méthodes et outils exploitants des modèles numériques en mettant relief leur apport dans la maîtrise et le contrôle du comportement de la lumière naturelle.
3.1 Supports d’assistance utilisant des modèles numériques géométriques (2D et 3D)
3.1.a Les modèles numériques géométriques
Les modèles numériques de représentation géométrique sont des modèles de représentation de connaissances géométriques de niveau d’abstraction et de complexité variable. Ce niveau d’abstraction varie selon les propriétés et des contraintes qui caractérisent l’objet à modéliser, alors que le niveau d’abstraction dépend de l’usage et des activités auquel le modèle doit répondre. Ainsi, un modèle numérique de représentation 2D est le résultat de la modélisation d’entités géométriques de faible niveau de complexité sur le plan (X,Y) : un point, une ligne (segment, droite), une courbe. Le niveau de complexité augmente avec les modèles de représentation géométrique 3D d’où il est question de modéliser et donner une forme abstraite à des entités géométriques dans l’espace (X,Y,Z) : surface, volume surfacique, solide. La représentation d’objet géométrique de type surfaces gauches non régulières fait appel à des familles d’entités géométriques complexes comme celle des NURBS
(Non-Uniform Rational Basis Splines) qui permettent de représenter des formes libres à travers des surfaces délimitées par des courbes.
Le choix d’un modèle de représentation numérique est défini selon un ensemble de critères (Hégron, 2003) :
• La capacité de représentation morphologique et structurelle d’un objet : choisir un modèle selon le type d’objets qu’on cherche à représenter ;
• La capacité de représentation visuelle : choix d’un modèle selon son niveau de précision et de réalisme de représentation ainsi que sa vitesse d’exécution (particulièrement pour le calcul des rendus photo-réalistes) ;
• Le mode d’acquisition des données géométrique de l’objet à modéliser : choix selon le procédé d’acquisition des données utilisée pour modéliser l’objet géométrique. Ce procédé peut être sous la forme d’une interface de commande interactive, un langage de description ou à partir de données numérisées (à partir d’images ou de captures lasers) ;
• Le type d’utilisation du modèle créé : le type d’usage de l’objet géométrique créé permet de définir le choix de type de modèle géométrique à utiliser. Un objet géométrique destiné à la simulation du comportement thermique est différent d’un objet géométrique utilisé pour la simulation du comportement lumineux.
Ces critères permettent de définir trois familles de modèles numériques de représentation géométrique :
• Modèles de représentations adaptées à la création interactive qui intègre les modèles de type arbre de construction (les approches CSG – Constructive Solid Geometry, modèles d’assemblage de primitives solides géométriques à l’aide d’opérateurs d’union, d’intersection et de différence) et les modèles de balayage (ensemble de points balayé par un objet qui se déplace tout au long d’une trajectoire) ;
• Modèles performants pour la visualisation : intègre les modèles de représentation par frontière (l’objet est représenté par son enveloppe décrite comme un assemblage de morceaux de surfaces planes ou gauches) ;
• Modèles pour des traitements divers : intègre les modèles de type arbre de construction et énumération spatiale (calcul des propriétés physiques et réalisation d’opérations booléennes entre objets).
3.1.b Modèle géométrique impératif
Les méthodes d’assistance utilisent des modèles numériques géométriques pour proposer aux concepteurs une aide pour optimiser le temps de préparation et de traitement des documents graphiques représentant le projet.
Cette assistance porte sur la représentation bidimensionnelle (2D) des pièces graphiques du projet (plan, coupe, façade, détail technique) ainsi que la représentation tridimensionnelle (3D) des volumes du projet donnant naissance à la notion de maquette numérique. La maquette numérique est ainsi une représentation virtuelle réalisée à partir des propriétés géométriques de l’objet conçu. Les activités de construction de la maquette numérique font appel à un vocabulaire et une syntaxe géométrique lui attribuant le caractère impératif. Les maquettes physiques et numériques partagent la même propriété
où « la vérification a priori de l’objet conçu ne pose que sur l’expertise et l’expérience du concepteur. Leur vérification sur le modèle obtenu ne peut s’opérer qu’a posteriori » (Hégron, 2003). En revanche, à la différence de la maquette physique qui est figée, la maquette numérique est dynamique, ouverte à toute évolution ou modification et répondant à des besoins d’études sensibles (rendu photo-réaliste, insertion en milieu urbain et naturel) et physiques (évaluation de comportements physiques). La maquette numérique évolue avec le projet et offre la possibilité de garder une trace des différentes mutations survenues tout au long du processus de conception du projet.
Parmi les logiciels d’aide à la représentation géométrique, on peut citer Autocad® et Sketchup®(Cf. Fig 76). Ces derniers sont structurés selon des modèles numériques de représentation géométrique 2D et 3D. Trois niveaux de différence caractérisent ces deux logiciels. Le premier concerne le type et le nombre d’entités géométriques gérées par chaque logiciel. Le deuxième niveau de différence porte sur les fonctions de modélisation (les fonctions qui gèrent les propriétés des entités et les relations entre elles) qu’ils proposent et leur degré d’adaptation aux exigences de la pratique de la conception architecturale. Enfin, un troisième niveau de différence qui porte sur les modes de visualisation et le temps d’exécution des opérations de modélisation ou d’affichage. Ainsi, sketchup® propose une interface et des outils de modélisation qui simplifie la saisie des données de construction de modèles 3D optimisés pour la représentation d’objets architecturaux. Il offre des fonctions de modification et de correction (découpage et extrusion de faces) du modèle construit qui crée un potentiel d’accompagnement les activités itératives de conception.
Fig 76.outils de représentation 2D et 3D utilisant un modèle numérique géométrique (AutoCad® et Sktechup®) 3.1.c Modèle géométrique paramétrique
Ce type de support permet de modéliser un objet à partir de ses propres propriétés (non géométriques) qui sont ensuite traduites par des données et des contraintes géométriques. La création d’un modèle de représentation géométrique d’un objet architectural commence par identifier les paramètres qui le caractérisent. Ensuite, il est question de définir le type et le domaine de variation des valeurs
géométrique. Le modèle paramétrique est l’algorithme responsable de la caractérisation et la traduction des paramètres en données géométriques. Ce type de support permet la création de bibliothèques d’objets paramétrés pour modéliser des objets architecturaux (existant et patrimoniaux), de mobilier ou de structure.
La dimension paramétrique offre des possibilités d’exploration et d’évaluation plus riches que celles des supports de représentation géométrique impérative comme l’explique Christine Chevrier (Chevrier et al., 2009) « Les paramètres de ces divers objets peuvent se voir affecter des valeurs interchangeables, transformant ainsi la morphologie de l’entité ; la modification itérative des valeurs permet la génération de tout un ensemble de variantes, à des fins exploratoires. Le concepteur dispose ainsi d’un outil d’investigation lui permettant d’explorer les multiples configurations pouvant être générées à partir de l’objet de base. ». Cette dimension exploratoire s’adapte aux activités de recherche et d’évaluation successives qui caractérisent le processus de conception architecturale. Les algorithmes structurant le modèle paramétrique sont associés aux logiciels de modélisation géométrique. Ce type d’algorithme peut être implémenté sous la forme de plug-in faisant appel à des langages de programmation de type C++ ou des langage propres au logiciel de modélisation MEL (Maya Embeded Language). Parmi ces derniers on peut citer le modèle de génération d’objets paramétrique du patrimoine GOP réalisé sous le langage de programmation C++ et Mel et une interface d’utilisation et de visualisation sous le logiciel de modélisation Maya®. Il existe aussi des algorithmes de modélisation paramétrique qui utilisent un langage de programmation graphique permettant à l’utilisateur de créer ces propres modèles paramétriques d’une manière intuitive. Ce type d’algorithme est associé à des logiciels de modélisation géométrique exploitant leurs fonctions de visualisation et leurs opérateurs géométriques. Parmi ces éditeurs d’algorithmes graphiques on peut citer Grasshopper® et le logiciel de modélisation Rhinoceros® développe par Robert McNeel & Associates® ou bien Dynamo® et logiciel de modélisation Revit Architecture® développé par
Autodesk®.
Un éditeur d’algorithmes graphiques comme Grasshopper® (Tedeschi, 2011) dispose de fenêtre de travail sur laquelle des composants sont positionnés. Ces composants graphiques intègrent des algorithmes de définition d’entités géométrique, d’opérations de transformation géométrique, d’opérations logiques, de données d’entrées et de résultats (logiques et géométrique). Chaque composant possède des entrées et des sorties auxquelles d’autres composants peuvent se connecter constituant ainsi un flux continu d’informations. Les entrées de type numérique peuvent être définies à travers le composant « Slider ». Ce composant crée un domaine de variation de valeurs numériques de type entier ou réel avec une interface permettant à l’utilisateur ou à un algorithme génératif de déplacer la position d’un curseur changeant ainsi la valeur du paramètre.
Le résultat des opérations effectuées par les composants est affiché sur les fenêtres de visualisation du modeleur 3D Rhinoceros®. Ce type d’éditeur intègre des composants de saisie et de définition d’algorithmes sous le format de ligne de codes utilisant des langages de programmation de type C#,
VB® (Visual Basic) ou Python®. Un ensemble de composants peut être rassemblé et encapsulé dans un seul module appelé « Cluster ». Ce dernier permet de réduire la taille d’affichage des algorithmes réalisés sous Grasshopper®, de les structurer et de les rendre moins complexes. L’utilisateur a la possibilité d’enregistrer le cluster dans une bibliothèque personnelle de modules appelés « User object » afin de les réutiliser pour la création d’autre algorithme.
Ce type d’éditeur d’algorithme offre une interface d’utilisation et un environnement de travail qui s’adaptent aux besoins d’utilisateur de type architecte qui n’ont pas les connaissances nécessaires pour l’utilisation de langage et d’environnement de programmation classique (ligne de code). Il permet ainsi aux concepteurs de mettre ne place des méthodes d’exploration et de recherche de configurations
3.1.d Modèle géométrique sémantique
Une géométrique sémantique est un modèle géométrique qui attribue à l’objet géométrique une dimension sémantique. La dimension sémantique porte sur des domaines de connaissances autres que géométriques qui peuvent être temporels, historiques, culturels, techniques ou sociétales. Les modèles géométriques sémantiques ont donné naissance au concept de BIM (Building Information Modeling). Le concept de BIM donne une structure pour les modèles géométriques sémantiques organisée selon trois aspects ; la géométrie, les relations et les attributs (Hichri et al., 2013). Le premier aspect concerne la modélisation géométrique de l’objet faisant appel à un modèle numérique géométrique pour créer les entités géométriques qui composent l’objet. Le deuxième aspect concerne les relations qui existent entre les différentes entités géométriques qui composent l’objet (hiérarchie, positions). Finalement, le troisième aspect décrit les attributs des entités géométriques : les catégories d’objets (porte, ouverture), les matériaux (texture, couche de compostions), durée de réalisation (date prévue de début et de fin d’exécution), cycle de vie (cycle d’entretient, date de remplacement).
Les logiciels intégrant le concept de BIM utilisent des formats d’échange normalisés, comme le standard IFC9, permettant de communiquer et de partager les maquettes numériques de bâtiments entre différents logiciels et différents acteurs du secteur du bâtiment (architectes, ingénieurs, entreprises, économes). Revit Architecture® est un logiciel de modélisation géométrique sémantique structuré selon le concept de BIM développé par Autodesk®. Ce logiciel intègre un modèle numérique géométrique paramétrique orienté architecture permettant la génération d’entités géométriques de type : mur, porte. Ces entités sont caractérisées par le modèle sémantique en leurs attribuant des propriétés en rapport avec le domaine de la construction. L’interface de Revit Architecture® présente deux familles de fenêtres de visualisation : une première pour la modélisation géométrique et une deuxième pour la modélisation sémantique.
9
Le format IFC (Information For Construction) est un format de fichier orienté objet utilisé par l'industrie du bâtiment pour échanger et partager des informations entre logiciels.
Fig 77. Exemple de logiciel de BIM (Revit®)
3.1.e Supports de modélisation géométrique déclarative
La modélisation déclarative consiste à modéliser un objet à partir d’une description de ses propriétés intrinsèques et des effets qu’il peut produire. Selon Gérard Hégron (Hégron, 2003), « ces propriétés font appel à trois niveaux de modélisation :
• La forme de l’objet (modèle géométrique)
• Les phénomènes naturels avec lesquels interagira l’objet à concevoir (modèles physiques et comportementaux)
• La perception de l’objet dans son contexte (modèle perceptif) »
Le processus de modélisation déclarative est structuré selon trois phases majeures. La première phase dite de description est une étape de saisie des différentes propriétés qui caractérisent l’objet à générer. La deuxième étape est celle de la génération pendant laquelle la description est interprétée en solutions. Enfin, la troisième étape de prise de connaissances permet de présenter les résultats de la génération pour que l’utilisateur puisse choisir la ou les solutions correspondant à ses attentes.
Fig 78. Structure du processus de modélisation déclarative
Le modèle physique assure la transcription des données de description non géométrique en données exploitées par le modèle numérique géométrique pour proposer une ou plusieurs formes possibles vérifiant la description faite au début. Ces réponses sont visualisées et mise dans leur contexte d’étude grâce au modèle de perception.
La modélisation déclarative offre une forme de description des objets qui peut porter sur des dimensions autres que géométriques plus sensibles et perceptibles. Cette forme de description peut être utilisée pour décrire des intentions de concepteur caractérisé par leur aspect flou, imprécis et sensible. Le potentiel de description est associé à un potentiel d’exploration et de recherche de solutions en qui peut être intégré dans un contexte de conception architecturale comme l’explique Georgios Bardis (Bardis, 2006) « La méthodologie de Modélisation Déclarative offre au concepteur la possibilité de décrire un objet ou un environnement en utilisant des termes abstraits, au lieu des valeurs explicites pour des propriétés géométriques concrètes. L’avantage principal de cette approche, particulièrement pendant la première phase de conception, est de permettre au concepteur de se concentrer sur des caractéristiques qui sont plus près de l’intuition humaine.
Wordseye® (Coyne, Sproat, 2002) est un outil de modélisation géométrique qui fait appel à un processus de déclaratif. Il permet de générer des scènes composées d’objets tridimensionnels à partir d’une description textuelle des types d’entités géométriques (cube, pyramide, arbre), leurs propriétés (couleur, dimension) et les relations qui lient ces entités. Cet outil fait appel à un modèle de connaissance géométrique qui identifie les entités décrites. Le modèle géométrique crée les entités géométriques de la scène 3D qui respecte la description du début du processus. Cette scène tridimensionnelle est affichée par le modèle de visualisation qui offre des fonctions de navigation (Cf. Fig 79).
Fig 79. Processus de modélisation déclaratif proposé par Wordseye® (Coyne, Sproat, 2002)
La modélisation déclarative propose un cheminement de l’effet en cherchant la cause. Selon Gérard Hégron « les intentions du concepteur représentent l’énoncé du problème c’est-à-dire le cahier des charges ou des spécifications de l’objet à créer. Ses intentions ne portent pas directement sur la forme de l’objet à concevoir, mais décrivent ses propriétés intrinsèques et les effets qu’il doit produire. »
(Hégron, 2003). Cet effet peut porter sur un domaine physique comme celui du comportement lumineux et être décrit d’une manière quantitative.
Dans ce contexte Daniel Siret (Siret, 1997) propose l’outil « Solimac » qui dispose d’une interface où l’utilisateur peut décrire un objectif d’éclairement matérialisé par une tache solaire de forme rectangulaire. Cette tache est contextualisée en définissant une localisation dans le temps et dans l’espace. Le modèle déclaratif traduit la description de la quantité d’apports lumineux et leur localisation dans l’espace en une entité géométrique appelé pyramide d’ensoleillement. Cette activité de traduction fait appel à un modèle de connaissance physique du comportement de la lumière naturelle. Le modèle géométrique calcule l’intersection entre la pyramide d’ensoleillement et la forme géométrique de l’espace de base. Ce processus génère une géométrie brute qui nécessite un traitement. Ce traitement consiste à donner une forme architecturale (ouverture, baie, auvent, brise soleil) des entités géométriques issues de l’opération d’intersection (Cf. Fig 80).
Fig 80. Interface et fonctions de Solimac (Siret, 1997)
D’autres méthodes de modélisation déclaratives utilisent un langage de description graphique pour décrire les objectifs ou les intentions des concepteurs. Dans son travail de thèse, Vincent Tourre (Tourre, 2007) propose une méthode déclarative d’assistance à la conception utilisant un langage graphique de description des intentions d’effet de lumière naturelle à l’intérieur d’une pièce. Ce processus commence par une phase de caractérisation du contexte de modélisation en définissant un modèle géométrique d’une configuration spatiale, la surface d’ouverture et la direction des apports lumineux. L’utilisateur dispose d’un ensemble de descripteurs graphiques qui permettent de retranscrire le contraste de luminance sur les différentes parois de l’espace représentant ainsi l’effet de lumière qu’il cherche à obtenir (Cf. Fig 81). Le modèle déclaratif fait appel à un modèle de connaissance quantitative et qualitative de la lumière naturelle pour traduire cette description en données géométrique. Le modèle géométrique construit une configuration d’ouverture sous la forme d’un maillage tronqué qui vérifie la description de l’effet pour les conditions d’éclairage définies au début du processus. Ce maillage abstrait nécessite un travail d’interprétation par le concepteur pour définir un dispositif d’éclairage.
Fig 81. Principe de fonctionnement et résultats de la méthode déclarative proposée par Vincent Tourré (Tourre, 2007)
LightSketch (Glaser et al., 2003) est un outil de modélisation utilisant un langage de description graphique pour la modélisation de scènes d’éclairage naturel et artificiel. Cet outil propose un processus de modélisation graphique faisant appel à une grammaire de signes pour représenter les entités géométriques d’un espace et des dispositifs d’éclairage naturel et artificiel. Cette méthode fait appel à un traducteur (Satin) qui interprète les données graphiques saisies pour les convertir en dispositifs architecturaux ou d’éclairage constituant ainsi la scène tridimensionnelle. Un moteur de simulation (Radiance®) permet d’évaluer le comportement lumineux sous différentes conditions d’éclairages et propose un rendu photo-réaliste de la scène éclairée. Un modèle de visualisation propose des options d’affichage de la scène d’éclairage prenant en compte la variation de l’effet de lumière produit dans le temps (jour, heure et saisons) (Cf. Fig 82).
L’outil LightSketch fait appel à une représentation graphique en 2D, de faible niveau de précisions correspondant utilisant les mêmes codes que les dessins d’esquisse, pour décrire des intentions et des idées architecturales. Elle offre ainsi une possibilité de modélisation, de simulation et d’évaluation simplifiée du comportement lumineux à partir de dessins d’intentions. Ce modèle peut participer à la réduction de la complexité de maîtrise du comportement lumineux qui caractérise les phases conceptuelles du projet d’architecture.
Fig 82. Processus et résultats du modèle déclaratif LightSketch extrait de(Glaser et al., 2003) 3.2 Supports d’assistance utilisant des modèles génératifs
Ces méthodes dites génératives sont traditionnellement appliquées dans l’ingénierie où il est question de parcourir un espace de solution afin de résoudre un problème d’optimisation. Dans ce contexte on peut citer les algorithmes évolutionnaires qui sont définis comme étant « des algorithmes d’optimisation stochastique fondés sur un parallèle grossier avec l’évolution darwinienne des populations biologiques. Ils fournissent une approche heuristique, à l’occasion performante, et dans certains cas prouvée » (Schoenauer, Sebag, 2007). Les algorithmes évolutionnaires se divisent en quatre grandes familles : la programmation évolutionnaire (Fogel et al., 1966), les stratégies évolutionnaires (Rechenberg, 1973), les algorithmes génétiques (Holland, 1975) et la programmation génétique (Koza, 1994). Cette classification prend comme référence les travaux de Peter Bentley (Bentley, 1999) et de Jean-Philippe Rennard (Rennard, 2002). Malgré quelques différences dans les schémas de fonctionnement de ces différentes familles, les algorithmes évolutionnaires gardent en